氮是农业生产中三大营养元素之一，在养分资源 的管理中，氮素的管理是核心，科学管理氮肥对作物 产量提高、环境改善作用重大^[1]。目前，在实际生产当 中，由于氮素来源广，去向复杂^[2]，农户对氮肥的管理 比较盲目，尤其是在农业主产区，过量施用氮肥现象 十分突出。据统计，我国氮肥目前消费量占化肥总量 的2/3 左右，占世界总量的30%左右，成为世界第一 生产和消费大国^[3]。不合理氮肥施用不仅造成氮素资 源的严重浪费，同时导致氮素效率的降低，而且带来 严重的环境问题。因此，作物高产、氮肥高效利用和生 态环境保护的统一成为现代农业发展必须解决的关 键问题^[4]。夏玉米是山西省南部地区主要种植作物，近 年来，无论是单产还是总产均有了大幅提高。高产的 实现主要是依靠氮肥的大量投入，而且农户普遍认为 在玉米生长前期多施肥是确保玉米高产的重要手段， 因此将60%左右的氮肥施在玉米苗期。农户的这种习 惯模式极不符合夏玉米“前轻后重”的需氮规律，造成 施肥时期与作物生长的不一致^[5]。项目通过氮肥实时 监控技术^[6] 的应用，确定夏玉米氮肥优化施用量，提 高夏玉米产量和氮肥利用效率，减少环境污染，为山 西省夏玉米生产提供氮肥资源优化管理理论和技术 支撑。 1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验于2008—2010 年在山西省临汾市洪洞县大 槐树镇李堡村进行。该村位于110°30′E~112°50′E， 36°15′N~36°23′N，以种植冬小麦-夏玉米轮作为主， 多年平均降雨量528 mm 左右，年均气温12.0 ℃，夏 玉米多年产量在350~450 kg·667 m^-2。供试土壤为潮 土，质地为粘质壤土，肥力水平较高。基础养分状况 为：pH 8.39，有机质14.23 g·kg^-1，全氮1.071 g·kg^-1，有 效磷19.61 mg·kg^-1，速效钾141 mg·kg^-1。夏玉米播种 前土壤0~30、30~60、60~90 cm 土层NO3--N 含量分 别为24.63、7.89、5.75 mg·kg^-1，容重分别为1.34、1.53、 1.56 g·cm^-3。 1.2 试验设计

试验设3 个处理：（1 ）不施氮肥处理（CK）；（2）农 民传统施氮处理（FP）：340 kg·hm^-2，其中，苗期施纯氮 210 kg·hm^-2，大喇叭口期追施130 kg·hm^-2 ；（3）氮肥 优化管理方式（采用氮素实时监控技术确定，OPT）。本 试验共3 个处理，4次重复，12 个小区。试验中各处理 磷肥施用量均为45 kg·hm^-2（P₂O₅），磷肥为普钙，含 P₂O₅为12%，在夏玉米播种前做基肥一次施入土壤。 因土壤有效钾含量较高，故不施钾肥。各处理间水分 管理条件一致，均采用畦灌方式，3 个生长季平均每 季浇水量为260 mm，出水口装有水表计量和控制小 区浇水量。试验于每年6月初播种，10月初收获。 1.3 调查项目与测试方法

土壤样品：播种前和收获后采集0~30、30~60、 60~90 cm 土层土壤样品，过5 mm筛，冰箱-4 ℃冷藏， 测定硝态氮含量。另外，0~30 cm 土样风干后测定土 壤常规理化性状。

植物样品：在夏玉米成熟期，每小区取5 株代表 性样株，分茎秆和籽粒两部分，于105 ℃杀青30 min， 70 ℃烘至恒重，称取干物重；粉碎后样品用于植物氮 素含量测定。收获时，小区单打单收，测定生物产量和 籽粒产量。

土壤硝态氮田间快速测试：称取混匀好的新鲜土 壤样品50 g，放入振荡瓶中，加50 g去离子水按1:1 水土比浸提，田间人工上下左右晃动2 次，每次2 min，中间静置1 min。定性滤纸过滤到小烧杯或胶卷 盒中，用硝酸盐反射仪测定滤液中的硝酸盐含量。

土壤硝态氮室内仪器测试：称取新鲜土样12 g， 用50 mL 2 mol·L-1KCl 溶液浸提，震荡60 min，过滤， 用流动注射分析仪FossStar5000 测定NO₃^--N 含量， 同时测定土壤含水量^[7]。

植株全氮：称取0.250 0 g 植株样品，按照国标 GB 2905—1982 用半微量凯氏定氮法测定植株全氮 含量^[8]。

氮效率计算公式^[9]如下：

氮肥利用率（RE_N，%）=（施氮区地上部吸氮量-空 白区地上部吸氮量）/施氮量×100；

氮肥农学效率（AE_N，kg·kg^-1）=（施氮区籽粒产 量-空白区籽粒产量）/施氮量；

氮肥偏生产力（PFP_N，kg·kg^-1）=施氮区产量/施氮 量；

试验数据采用Excel 13.0 和SigmaPlot9.0 统计软 件进行分析。 2 结果与分析 2.1 氮素实时监控技术与优化施氮量确定

氮素实时监控技术主要针对氮素来源多与去向 复杂特点提出^[10]。该技术根据夏玉米生长发育各时期 氮素需求规律和根系生长状况，确定各阶段所需氮素 供应量（土壤硝态氮+肥料氮）。针对山西省夏玉米主 产区生产状况，目前平均产量为6.75 t·hm^-2，设计目 标产量增加10%~15%，即7.5 t·hm^-2。依据夏玉米氮 素养分吸收规律^[11]，地上部氮素吸收总量为220 kgN· hm^-2，其中，从播种到苗期氮吸收量为10 kgN·hm^-2，考 虑夏玉米根系氮吸收量，将该阶段氮素供应目标值设 定为30 kgN·hm^-2，该阶段根系主要分布于0~30 cm 土层，因此氮肥最优用量（播前）为氮素供应目标值减 去0~30 cm土层硝态氮含量。同样原理，从苗期到大 喇叭口期氮素吸收量为60 kg·hm^-2，根系吸收大约35 kg·hm^-2，因此该阶段氮素供应目标值为95 kgN·hm^-2， 考虑根系在该阶段主要分布于0~90 cm 土层，土壤供 氮量考虑0~90 cm土壤无机氮。从大喇叭口期到收获 期氮素吸收量为150 kg·hm^-2，考虑根系大约吸收40 kg·hm^-2，此阶段氮素供应目标值为190 kgN·hm^-2，该 时期作物根系主要分布在0~90 cm 土层，土壤供氮量 考虑0~90 cm土壤无机氮。详细技术参数见图 1。

图 1 基于土壤硝态氮测试和养分平衡的氮素实时监控技术参数

图选项

根据图 1，对2008—2010 年夏玉米试验氮肥优 化管理方式处理（处理3）采用田间硝态氮速测法进 行了氮肥用量确定。从表 1 可见，氮肥优化管理方式 处理应用氮素实时监控技术，氮肥用量基本保持在 180 kg·hm^-2左右。与当地农民传统施氮340 kg·hm^-2 相比，氮肥用量显著降低，3 年累计减少氮肥用量491kg·hm^-2，大大降低了肥料投入成本。

表 1 夏玉米试验优化氮肥用量确定（kgN·hm^-2）

表选项

连续3 年应用氮素实时监控技术对夏玉米氮肥 优化用量进行试验。结果显示,与农户习惯施肥处理 比较，优化施氮处理显著降低了氮肥用量，3 年累计 减少氮肥用量491 kg·hm^-2，氮肥成本累计减少1 964 元·hm^-2，3 年增收节支平均为1 418 元·hm^-2（表 2）。 在减氮基础上，优化施氮处理产量比农户习惯施氮产 量3年平均增加6.3%（图 2）。增产幅度虽然不大，优 化施氮与农户习惯施氮之间差异也不明显，但优化施 氮处理减少了氮肥用量，降低了肥料成本。

表 2 夏玉米氮素优化处理增收节支情况

表选项

图 2 不同处理不同年份夏玉米产量

图选项

氮肥利用率、氮肥农学利用率以及氮肥偏生产力 是评价作物氮效率的3 个重要参数。表 3 结果显示， 优化施氮处理氮肥利用率3 年平均为26.6 %，而传统 处理平均只有15.2 %，优化施氮处理比传统施氮处理 高出11.4 个百分点。农户习惯氮肥管理夏玉米地上 部存在氮素奢侈吸收，多吸收的氮素大部分贮存在秸 秆中，没有转化为籽粒产量，故氮素农学利用率较低，优化氮肥处理比农户习惯3 年平均高出6.8 kg·kg^-1。 相对农户习惯氮肥管理，优化氮肥管理每千克氮素可 以生产38.40~50.17 kg 的玉米籽粒产量，氮肥偏生产力增加23.20 kg·kg^-1。可见，采用氮素实时监控技术 可以在产量增加的基础上，大大减少氮肥用量，提高 氮肥利用效率，增加农民收入。

表 3 不同处理的氮效率

表选项

2008 年对第一季夏玉米0~90 cm 土体硝态氮空 间分布以及硝态氮累积总量进行了研究（图 3）。在全 生育期共测定4 次，分别是施基肥前（2008-06- 02）、追肥前（2008-07-21）、追肥后10 d（2008-08- 02）、收获后（2008-10-02）。结果看到，OPT（优化施氮 处理）的硝态氮主要分布在表层，整个剖面没有出现 明显的累积峰值，向下淋洗不严重。FP（农户习惯施 氮处理）在玉米整个生长期，0~90 cm 土体内硝态氮 水平均较高，说明农户长期大量的施用氮肥，造成了 硝态氮的严重淋失，不仅氮肥利用率下降，而且对环 境形成了潜在风险。从0~90 cm土体硝态氮累积量也 可以看出（图 4），OPT处理硝态氮累积量显著低于FP 处理，夏玉米生长1 季后OPT 处理硝态氮累积量与 播前基础值相比有所下降，没有造成土体硝态氮的过 多累积，而FP 处理硝态氮累积量几乎为播前基础值 的1.75倍。

图 3 夏玉米收后不同处理0~90 cm 土体硝态氮含量动态分布

图选项

图 4 不同处理0~90 cm 土体硝态氮的累积情况

图选项

3 讨论

过量施氮在山西省南部夏玉米种植区是一个普 遍问题。确定氮肥优化施用量，使作物高产，养分高 效，又环境友好，不至于造成土体硝酸盐的大量累积 和淋失，是目前氮素养分管理研究的目标^[12]。赵荣芳 等^[13]研究认为，华北地区夏玉米施氮量达300 kg·hm^-2 时，NO₃^--N 淋洗损失占施氮量的33.5 %。本研究中，农户传统施氮量高达340 kg·hm^-2，NO₃^--N 淋洗损失 风险很大。因此，在山西省南部夏玉米高产区迫切需 要对氮肥施用进行优化管理。Chen 等^[14]提出根据氮素 资源特征建立氮素实时监控技术，对氮肥进行优化管 理。本项目通过3年的试验验证，证实该技术解决了 土壤氮素供应与夏玉米各生育时期养分需求一致性 问题。与农户传统施肥相比，施肥次数没有增加，只增 加了土壤硝态氮的测试环节，但是该环节的应用不仅 大幅度降低了氮肥的施用量，3 年累计推荐的氮用量 比传统施氮量减少491 kg·hm^-2。而且土壤硝态氮速 测方法简单，农民易于接受，很适合推广。

项目对试验区进行的大量农户施肥调查发现，长 期以来农户夏玉米生产中传统氮肥管理模式为重底 肥轻追肥。最新研究表明，高产夏玉米花前对氮素需 求量少，开花后对氮素需求量增加。特别是现代高产 玉米品种的籽粒库容增大，要求生育后期碳、氮供应 要充足。而农户传统施氮方式下，土壤硝态氮时空变异很难与夏玉米需肥及根系生长规律相吻合，前期氮 供应过多，后期供氮明显不足，严重影响夏玉米增产 潜力。本试验应用氮素实时监控技术，在夏玉米播前、 大喇叭口期依据土壤硝态氮含量以及夏玉米需求量 来确定氮肥用量，最大限度地发挥了夏玉米增产潜 力，在氮素用量减少的基础上，产量比农户习惯增产 6.3%，显著提高了氮素养分效率。

国内许多学者对夏玉米合理施氮量提出过建议， 例如，徐钰等^[15]研究认为，在山东省高肥力土壤上，夏 玉米产量为9 t·hm^-2时优化施氮量为240 kg·hm^-2，此 用量下0~120 cm 土壤硝态氮积累较少。赵营等^[16]对 陕西省夏玉米的研究提出，产量为6.5 t·hm^-2时优化 施氮量为125 kg·hm^-2。可见，不同区域不同目标产量 下氮肥合理用量有所不同。本试验条件下，目标产量 为7.5 t·hm^-2时，应用氮素实时监控技术，推荐的氮肥 用量为180 kg·hm^-2，与夏玉米一生氮素总需求180 kg·hm^-2一致。因此，从作物高产与环境保护角度考 虑，本研究认为，在山西省南部夏玉米种植区，适宜氮 肥用量180 kg·hm^-2时，能达到夏玉米高产与氮素养 分高效的一致。 4 结论

氮素实时监控技术是目前国内较先进的一种氮 肥推荐方法。该技术在山西南部夏玉米3 年的应用， 目标产量为7.5 t·hm^-2时，优化施氮量为180 kg·hm^-2， 依据夏玉米氮素养分吸收规律，底肥施入氮素总量的 1/3，大嗽叭口期施入氮素总量的2/3，就完全可以满 足夏玉米全生育期氮素养分的需求。试验结果表明， 与农户习惯施氮相比，优化施氮处理3 年累计氮用量 减少491 kg·hm^-2，产量增加6.3%，增收1 418元·hm^-2， 同时，显著提高了氮肥的利用效率，土体硝态氮的累 积与淋洗也大幅下降。

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